燃油儲(chǔ)存艙閉式溢流透氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 琛 林 蓁 馮樹(shù)才

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

常規(guī)設(shè)計(jì)的燃油儲(chǔ)存艙閉式溢流透氣系統(tǒng)，其溢流總管上的透氣管布置在主甲板上，油氣會(huì)通過(guò)空氣管頭擴(kuò)散到主甲板面，形成油氣污染。油氣中毒已經(jīng)成為造成船員意外傷害的隱患，國(guó)際勞工組織越來(lái)越重視船員的工作環(huán)境和健康狀況，國(guó)際上的大型班輪公司 （如丹麥馬士基）也要求油艙空氣管頭不得布置在主甲板上。因此，以2 200 TEU集裝箱船為例，取消燃油儲(chǔ)存艙溢流透氣總管上的透氣管，將溢流和透氣合二為一，通過(guò)溢流總管集中溢流透氣到機(jī)艙雙層底的燃油溢流艙，燃油溢流艙再透氣到煙囪頂部。先通過(guò)經(jīng)典公式計(jì)算溢流透氣系統(tǒng)的阻力，再通過(guò)CFD模擬檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，論證了該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性，可為工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 常規(guī)閉式溢流透氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照燃油溢流艙布置型式分類，常規(guī)閉式溢流透氣系統(tǒng)分為總管溢流型和就地溢流型，見(jiàn)圖1。

圖1 常規(guī)閉式溢流透氣系統(tǒng)

2 閉式溢流透氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

閉式溢流透氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了滿足規(guī)范計(jì)算外，還應(yīng)該考慮系統(tǒng)安全保護(hù)措施和補(bǔ)油速率選取的合理性。

2.1 閉式溢流透氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

每個(gè)燃油儲(chǔ)存艙設(shè)置2根溢流透氣管，溢流透氣管的最高點(diǎn)（B點(diǎn)）要高于總體專業(yè)提供的破艙水線，通過(guò)共用的橫跨管（B-C）接到溢流總管（C-D-E），最后接到位于機(jī)艙雙層底的燃油溢流艙，見(jiàn)圖2。

圖2 2 200 TEU閉式溢流透氣系統(tǒng)

2.2 燃油儲(chǔ)存艙溢流透氣總管

按照規(guī)范要求，溢流透氣總管的截面積應(yīng)是注 入管截面積的1.25倍，見(jiàn)下頁(yè)表1。

表1 2 200 TEU燃油儲(chǔ)存艙溢流透氣總管計(jì)算

2.3 燃油溢流艙透氣管

燃油溢流艙的注入包括燃油儲(chǔ)存艙的溢流管、燃油沉淀艙溢流管以及機(jī)艙內(nèi)其他艙柜的溢流管，可以視作是重力注入到燃油溢流艙，燃油溢流艙透氣管的截面積為最大的2根溢流注入管截面積之和的1/3，見(jiàn)表2。

表2 2 200 TEU燃油溢流艙透氣管計(jì)算

燃油溢流艙透氣管延伸到煙囪頂部，透氣管在機(jī)艙2平臺(tái)處設(shè)置1個(gè)泄壓閥，泄壓閥的主要目的是衡準(zhǔn)燃油溢流艙試驗(yàn)壓力高度，可以從煙囪頂部降低到泄壓閥的安裝高度（同時(shí)考慮泄壓閥的設(shè)定值），見(jiàn)圖3。

圖3 2 200 TEU燃油溢流艙透氣系統(tǒng)

極端工況下發(fā)生燃油溢流時(shí)，燃油通過(guò)泄壓閥泄放到圍油井，再通過(guò)管路泄放到雙層底的燃油泄放艙。

泄壓閥壓力設(shè)定值計(jì)算：

式中：

P

為泄壓閥壓力設(shè)定值，Pa；

ρ

為水的密度，1 000 kg/m；

g

為重力加速度 ，9.8 m/s；

H

為燃油溢流艙試驗(yàn)壓力高度（自基線量起），17.71 m；

H

為泄壓閥安裝高度（自基線量起），12.32 m。

根據(jù)式（1）計(jì)算結(jié)果，泄壓閥壓力設(shè)定值選取5 000 Pa（即0.5 bar）。

2.4 燃油溢流透氣系統(tǒng)防虹吸措施

由于燃油溢流艙布置在位置較低的機(jī)艙雙層底，當(dāng)加注工況發(fā)生燃油溢流時(shí)會(huì)產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象。溢流透氣總管如同吸管，抽吸燃油儲(chǔ)存艙內(nèi)的燃油，由此產(chǎn)生的負(fù)壓會(huì)對(duì)燃油儲(chǔ)存艙結(jié)構(gòu)造成破壞，需要采取措施防止燃油儲(chǔ)存艙負(fù)壓產(chǎn)生。

在燃油溢流透氣總管上設(shè)置1個(gè)單向閥，見(jiàn)圖2。當(dāng)燃油溢流時(shí)，單向閥能在管路抽吸作用下自動(dòng)打開(kāi)，空氣進(jìn)入溢流透氣總管內(nèi)，破除管內(nèi)真空，避免發(fā)生虹吸現(xiàn)象。正常加注工況時(shí)，油氣不會(huì)通過(guò)單向閥溢出，只能通過(guò)溢流透氣總管進(jìn)入燃油溢流艙，最后從煙囪頂部排入大氣。

2.5 燃油溢流透氣系統(tǒng)報(bào)警保護(hù)措施

燃油加注是船舶營(yíng)運(yùn)管理的重要環(huán)節(jié)，船上燃油儲(chǔ)存艙內(nèi)的剩余油量，加油站的加注速率都是已知量，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出燃油加注量和加注時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，燃油加注時(shí)不會(huì)出現(xiàn)溢流的情況，考慮到系統(tǒng)的可靠性和安全性，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警保護(hù)措施，見(jiàn)表3。

表3 2 200 TEU燃油溢流透氣系統(tǒng)報(bào)警保護(hù)措施

3 燃油儲(chǔ)存艙承受壓力計(jì)算

根據(jù)燃油儲(chǔ)存艙的布置位置，1號(hào)燃油儲(chǔ)存艙（左/右）距離機(jī)艙內(nèi)燃油溢流艙的位置最遠(yuǎn)，系統(tǒng)阻力最大，因此只需要計(jì)算1號(hào)燃油儲(chǔ)存艙（左）溢流透氣管路阻力。

燃油注入時(shí)，溢流透氣管總阻力由動(dòng)壓和靜壓組成。動(dòng)壓包含沿程阻力損失和局部阻力損失；靜壓是溢流管最高點(diǎn)（B點(diǎn)）和燃油艙頂部（A點(diǎn)）之間的高度差。

溢流透氣總管阻力計(jì)算公式如下：

式中：Δ

P

為溢流透氣總管總阻力，Pa；Δ

P

為溢流透氣總管沿程阻力，Pa；Δ

P

為溢流透氣總管局部阻力，Pa；Δ

P

為溢流透氣總管靜壓，Pa。

3.1 燃油加注參數(shù)

根據(jù)船東的要求，加注時(shí)間和加注速率在規(guī)格書(shū)階段已明確，當(dāng)加注到燃油儲(chǔ)存艙高位報(bào)警（95%）時(shí)，燃油應(yīng)該以補(bǔ)油速率進(jìn)行加注，以確保加油安全。見(jiàn)表4。

表4 2 200 TEU燃油加注參數(shù)

3.2 溢流透氣總管阻力計(jì)算

根據(jù)船舶加油操作規(guī)程，阻力計(jì)算時(shí)只需要考慮補(bǔ)油速率下溢流系統(tǒng)的阻力。加油站應(yīng)按照規(guī)范配置相應(yīng)的設(shè)備和儀表，對(duì)加油操作實(shí)施過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視和控制。溢流透氣總管的阻力計(jì)算見(jiàn)下頁(yè)表5。

3.3 燃油儲(chǔ)存艙承受壓力計(jì)算

燃油儲(chǔ)存艙承受的壓力除了溢流透氣管路的阻力外，還包括燃油艙深度引起的自身靜壓，該靜壓成梯度變化，燃油艙底部承受的壓力最大。燃油儲(chǔ)存艙承受壓力計(jì)算見(jiàn)下頁(yè)表6。

由表6可知，在燃油儲(chǔ)存艙以補(bǔ)油速率發(fā)生溢流時(shí)，承受的壓力小于設(shè)計(jì)許用壓力，燃油儲(chǔ)存艙的溢流透氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足實(shí)際使用要求。

表5 2 200 TEU溢流透氣總管阻力計(jì)算

表6 2 200 TEU燃油儲(chǔ)存艙承受壓力計(jì)算

3.4 補(bǔ)油速率的選取

由表5可知，透氣溢流管路口徑按照規(guī)范的要求進(jìn)行選取，長(zhǎng)度由油艙的總布置確定，影響管路總阻力的主要因素是補(bǔ)油速率。不同補(bǔ)油速率下的管路總阻力變化見(jiàn)表7。

表7 2 200 TEU管路不同補(bǔ)油速率下管路總阻力變化

由表7可知，透氣溢流管路的總阻力隨著補(bǔ)油速率的加大而增加。由于燃油儲(chǔ)存艙承受壓力必須小于其設(shè)計(jì)許用壓力，所以建議最大補(bǔ)油速率不要超過(guò)120 m/h。

4 CFD驗(yàn)證計(jì)算

采用流體軟件FloEFD進(jìn)行CFD計(jì)算。運(yùn)用軟件自帶的建模工具Soildworks，對(duì)2 200 TEU閉式溢流透氣系統(tǒng)建立計(jì)算模型，對(duì)燃油溢流工況和燃油駁出工況仿真分析。

4.1 燃油溢流工況模型

根據(jù)實(shí)船放樣布置，燃油溢流工況模型及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 2 200 TEU燃油溢流工況模型及計(jì)算結(jié)果

計(jì)算軟件基本輸入條件：

（1）管內(nèi)流體介質(zhì)為重油（1 010 kg/m，700 cst）；

（2）選取E點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力（101 325 Pa）；

（3）選取A1和A2點(diǎn)為流量入口（燃油補(bǔ)油速率：100 m/h）。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4，管路A-E的動(dòng)壓為：

115 091 - 101 325 = 13 766 Pa。

CFD計(jì)算值（13 766 Pa）與表5經(jīng)典公式計(jì)算值（15 130 Pa）接近，故在燃油儲(chǔ)存艙以補(bǔ)油速率發(fā)生溢流時(shí)，其承受壓力小于設(shè)計(jì)許用壓力，燃油儲(chǔ)存艙的溢流透氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足實(shí)際使用要求。

4.2 燃油駁出工況

機(jī)艙內(nèi)燃油駁運(yùn)泵駁出燃油儲(chǔ)存艙內(nèi)的燃油時(shí)，為了保證燃油儲(chǔ)存艙內(nèi)的氣壓平衡，空氣會(huì)從煙囪頂部的燃油溢流艙透氣管，經(jīng)過(guò)溢流透氣總管，自動(dòng)補(bǔ)償?shù)饺加蛢?chǔ)存艙，保證燃油儲(chǔ)存艙內(nèi)的氣壓平衡，利用CFD模擬計(jì)算此優(yōu)化方案是否可以保證燃油儲(chǔ)存艙氣壓平衡。

根據(jù)實(shí)船放樣布置，燃油駁出模型及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 2 200 TEU燃油駁出模型及計(jì)算結(jié)果

計(jì)算軟件基本輸入條件：

（1）管內(nèi)流體介質(zhì)為空氣；

（2）選取G點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力；

（3）選取A1、A2點(diǎn)的出口體積總流量100 m/h（機(jī)艙內(nèi)2臺(tái)燃油駁運(yùn)泵容量）。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。管路G-A的真空度為：101 325 - 101 226 = 99 Pa。

當(dāng)燃油儲(chǔ)存艙燃油駁出時(shí)，閉式溢流透氣系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)是空氣，流速很低（0.544 m/s），溢流透氣系統(tǒng)管路的真空度為99 Pa，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)能承受的負(fù)壓值。所以取消溢流透氣總管上的空氣管頭，既不會(huì)影響燃油駁出，燃油儲(chǔ)存艙內(nèi)氣壓也能保持平衡。

5 結(jié) 語(yǔ)

在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式是論證設(shè)計(jì)方案的有效手段，能夠同時(shí)證實(shí)理論計(jì)算結(jié)果的有效性以及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文從防止油氣污染的角度，對(duì)2 200 TEU集裝箱船燃油儲(chǔ)存艙溢流透氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)理論計(jì)算與CFD模擬仿真相結(jié)合，論證了取消燃油儲(chǔ)存艙溢流總管上空氣管，將溢流和透氣合二為一的設(shè)計(jì)方案能夠滿足實(shí)際使用要求，解決了主甲板面上油艙空氣管頭產(chǎn)生的油氣污染問(wèn)題，其設(shè)計(jì)思路可以應(yīng)用于其他相關(guān)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有良好的應(yīng)用前景。